基于模型建構(gòu)的“基因工程的應(yīng)用”教學設(shè)計

謝茜 楊梅

1 教材及學情分析

“基因工程的應(yīng)用”一節(jié)是人教版高中生物《選擇性必修3·生物技術(shù)與工程》第三章第三節(jié)的內(nèi)容。學生在此之前學習了基因工程的基本工具和基本操作程序，已經(jīng)有了足夠的理論基礎(chǔ)?！盎蚬こ痰膽?yīng)用”一節(jié)中列舉了基因工程在植物、動物、醫(yī)藥、醫(yī)療診斷等多方面的應(yīng)用，教師在教學時若泛泛而談或者面面俱到，均不能讓學生深入理解基因工程的基本操作程序，突破操作程序中的難點。因此，下面以新冠病毒的重組蛋白疫苗為例，引導學生針對新冠病毒重組蛋白的研制，先討論出基本概念模型，然后逐步完善，并利用交互式動畫，構(gòu)建基因表達載體的物理模型，使學生在構(gòu)建物理模型的過程中了解在基因工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的蛋白質(zhì)工程技術(shù)，為學習下一節(jié)打好基礎(chǔ)。

2 教學目標

（1）闡明基因工程的基本操作程序，構(gòu)建基本的概念模型。

（2）能結(jié)合情境，構(gòu)建新冠病毒重組蛋白疫苗的制作流程，完善概念模型;利用交互式動畫構(gòu)建基因表達載體的物理模型;提高科學思維，獲得解決實際問題的探究能力。

（3）通過構(gòu)建物理模型，理解蛋白質(zhì)工程的原理。

（4）認同我國在疫苗研發(fā)上的飛速發(fā)展及在全球抗疫中的卓越成就，增強社會責任素養(yǎng)和民族自豪感。

3 教學過程

3.1創(chuàng)設(shè)情景，導入新課

教師簡單介紹武漢抗擊新冠肺炎疫情的過程、全球新冠疫情防控情況，引出我國接種的新冠疫苗，提示學生關(guān)注新冠疫苗的研發(fā)。教師利用新冠肺炎在全球的蔓延及其對人類的健康、生產(chǎn)、生活帶來的巨大影響，讓學生認識到疫苗接種與疫苗研發(fā)的重要性，引起共情，激發(fā)學生學習熱情。

3.2教師以 S 蛋白生產(chǎn)為例，引導學生回顧基因工程的基本流程

教師展示新冠病毒的圖片并介紹它的基本結(jié)構(gòu)、組成成分及新冠病毒侵染人體大致過程，讓學生知道感染的關(guān)鍵是新冠病毒的刺突蛋白（S 蛋白）。 S 蛋白是一種糖基化修飾的蛋白質(zhì)，能與人體的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（ACE2受體）識別和結(jié)合，引導學生聯(lián)想到疫苗研發(fā)的關(guān)鍵可以利用S 蛋白。

教師播放新冠病毒滅活疫苗與蛋白疫苗的作用原理視頻，提問：重組蛋白疫苗的優(yōu)點是什么？學生在已有的免疫調(diào)節(jié)知識背景下，能很快理解滅活疫苗的作用原理，明確“蛋白疫苗的優(yōu)點是生產(chǎn)成本低，對人體更安全”，認識到生產(chǎn)蛋白疫苗的必要性。

教師展示資料：①中國科學院等利用基因工程的方法在工程細胞中獲取抗原蛋白，制作重組蛋白疫苗。②中國科學家率先獲得新冠病毒全基因組序列，并向全世界無私的分享了這一成果，后又測出 S 蛋白的基因序列。教師要求學生以 S 蛋白的生產(chǎn)為例，回顧基因工程的基本操作程序，并提問：基因工程的基本操作程序是什么？為了獲得 S 蛋白，該目的基因可以導入的受體細胞是哪種細胞？為什么？

學生回顧基因工程的基本操作程序，構(gòu)建基本概念模型（圖1），得出：應(yīng)該將S 蛋白的基因?qū)胝婧思毎?，因為真核細胞具有?nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，可以對蛋白質(zhì)進行修飾。

設(shè)計意圖：教師引導學生分析資料，讓學生了解S蛋白的基因和S 蛋白，促進學生利用所學知識初步推斷重組蛋白疫苗的制作流程，構(gòu)建基本的概念模型，訓練學生的科學思維和邏輯推理能力。

3.3學生畫出利用轉(zhuǎn)基因植物獲得 S 蛋白的流程圖

教師提問：我國的新冠病毒重組蛋白疫苗的蛋白質(zhì)是導入CHO（倉鼠卵巢細胞）細胞中獲得的，但動物細胞培養(yǎng)的成本會較高，為什么？學生思考后，回答：動物細胞培養(yǎng)需要無菌且無毒的環(huán)境、適宜的溫度、 pH、氣體環(huán)境，還要提供各種營養(yǎng)物質(zhì)，如糖類、氨基酸。

教師展示資料，引導學生思考：我國科研人員最新的一項研究成果，科研人員發(fā)現(xiàn)可以用植物來表達 S 蛋白，大大降低了生產(chǎn)成本。參照動物細胞培養(yǎng)的條件，為什么利用植物生產(chǎn)S 蛋白成本會下降？教師提示學生對比動物細胞培養(yǎng)的條件作出回答。學生對比動物細胞培養(yǎng)之后，知道：植物可以在室外培養(yǎng)，不需要全程保證無菌無毒的環(huán)境，并且綠色植物是自養(yǎng)生物，不需要提供大量營養(yǎng)物質(zhì)。

構(gòu)建基因表達載體是基因工程的核心，教師在白板上展示基因表達載體的基本結(jié)構(gòu)，請小組派代表利用交互式動畫，構(gòu)建該基因表達載體的物理模型（圖2）。

教師在白板上展示利用植物生產(chǎn)S 蛋白論文的關(guān)鍵詞“植物生產(chǎn)疫苗（蛋白）”“本氏煙草”“農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法”，并提供材料（圖3）。學生以小組為單位，根據(jù)教師提供的材料，利用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，構(gòu)建在本氏煙草中獲取S 蛋白的概念模型。小組合作完成模型構(gòu)建，用白板展示成果，并介紹設(shè)計思路。教師引導學生在相互評價過程中突破基因工程的難點，并對自己的模型進行修改和完善。

3.3.1目的基因的篩選與獲取

在學生闡述各種可以獲得目的基因的方法后，教師展示資料，讓學生知道實際生產(chǎn)時采用的是RT-PCR 技術(shù)，即先逆轉(zhuǎn)錄獲得DNA，然后PCR擴增目的基因。

3.3.2基因表達載體的構(gòu)建

學生根據(jù)RNA 的部分序列，推導出它對應(yīng)的部分 DNA序列、限制酶的識別序列，以及Ti質(zhì)粒上限制酶的切割位點，選取限制酶切割目的基因和Ti質(zhì)粒;然后用DNA連接酶進行連接，構(gòu)建重組質(zhì)粒。

學生提出了三種操作方式：①選擇單酶切，即只選擇ECoRⅠ對目的基因和Ti質(zhì)粒進行切割。②雙酶切時選擇了ECoRⅠ和Sau3A Ⅰ。③選擇了ECoRⅠ和BamHⅠ對目的基因和質(zhì)粒進行雙酶切，然后用 DNA 連接酶連接構(gòu)建重組質(zhì)粒。小組互評后，學生可以發(fā)現(xiàn)：若只使用ECoRⅠ進行酶切，雖然可以構(gòu)建重組質(zhì)粒，但是容易出現(xiàn)質(zhì)粒和目的基因自身環(huán)化，及目的基因反向插入Ti質(zhì)粒的問題;若使用Sau3A Ⅰ酶切，該酶的識別序列在 T-DNA 內(nèi)外均有，若切割了 T- DNA外的點，則導致目的基因不能插入T-DNA 內(nèi)部。

針對上述三種方式，教師引導學生觀看白板上的交互動畫，加深學生對限制酶選擇方法的理解。

學生觀看演示動畫，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)ECoRⅠ單酶切后目的基因和質(zhì)粒的兩端產(chǎn)生的黏性末端相同，容易出現(xiàn)自身環(huán)化的問題;目的基因旋轉(zhuǎn)180°之后，黏性末端方位沒有發(fā)生改變，也可以反向連接到載體上，即單酶切會出現(xiàn)任意連接的問題。若用ECoRⅠ和Sau3A Ⅰ進行酶切，Sau3A Ⅰ會切割T-DNA 外的序列，導致目的基因不能插入T-DNA 內(nèi)部。此時，教師引導學生回顧農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，使學生明確：在進行轉(zhuǎn)化時，目

的基因需要插入到T-DNA 內(nèi)部，因為T-DNA 才能整合到植物細胞染色體上，實現(xiàn)穩(wěn)定遺傳。

學生繼續(xù)觀看演示動畫，發(fā)現(xiàn)，雙酶切之后兩端產(chǎn)生的黏性末端各不相同，不會出現(xiàn)自身環(huán)化的問題。這是因為目的基因只能單向插入質(zhì)粒的缺口，不會出現(xiàn)反向連接的問題。

3.3.3將目的基因?qū)胧荏w細胞

學生設(shè)計的流程包含了目的基因?qū)朕r(nóng)桿菌，用農(nóng)桿菌侵染本氏煙草，T-DNA可以攜帶目的基因整合到本氏煙草細胞染色體上，實現(xiàn)轉(zhuǎn)化過程。教師提出問題：（1）怎樣把基因表達載體導入農(nóng)桿菌？（2）怎樣利用標記基因?qū)r(nóng)桿菌進行篩選？學生在問題的引導下回顧所學知識，小組討論分析，得出結(jié)論：目的基因?qū)胛⑸锛毎枰酶惺軕B(tài)細胞法，所以應(yīng)該對農(nóng)桿菌進行鈣離子處理，使其處于感受態(tài)，吸收周圍環(huán)境中的DNA，實現(xiàn)轉(zhuǎn)化;在轉(zhuǎn)化完成之后，可以利用含氨芐青霉素的培養(yǎng)基對農(nóng)桿菌進行篩選，篩選出的是含質(zhì)粒和重組質(zhì)粒的農(nóng)桿菌，后續(xù)仍要進一步檢測與鑒定。3.3.4目的基因的檢測與鑒定

本實驗是為了獲得S 蛋白，所以學生傾向選用更直接的手段——抗原抗體雜交，即直接檢測S 蛋白是否表達。

3.3.5提取S 蛋白

應(yīng)用最終的目的是為了獲得大量的 S 蛋白。此時，教師介紹：可以破碎細胞，采取層析的方法提取 S 蛋白。在討論的過程中，各小組不斷修改自己的概念模型，最終教師在白板上展示學生設(shè)計的更為的完善的模型（圖4）。

設(shè)計意圖：學生能根據(jù)基因工程的基本操作程序，設(shè)計出較完整的獲得目標蛋白的制作流程，構(gòu)建概念模型，培養(yǎng)了科學思維，獲得了解決實際問題的探究能力。教師引導學生對自己和其他同學設(shè)計的基因表達載體的結(jié)構(gòu)進行客觀全面的評價，培養(yǎng)學生的批判性思維。教師引入實際情景，引導學生設(shè)計完整的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化流程，培養(yǎng)學生邏輯推理的能力。

4 拓展延伸

教師展示圖片并提問：全球有很多蛋白疫苗的主要成分是S 蛋白，但有的蛋白疫苗的主要成分是RBD （受體結(jié)合區(qū)）蛋白，我國生產(chǎn)的重組蛋白疫苗的主要成分也是 RBD 蛋白。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？教師引導學生觀看白板上的圖片，發(fā)現(xiàn)S 蛋白有很多區(qū)域，但與受體識別和結(jié)合的是 RBD 區(qū)，所以我國的重組蛋白疫苗的主要成分也是RBD 蛋白。

教師繼續(xù)給出材料，并提出問題：科研人員在 RBD 的末端加入了一個名為his-tag 的肽段，his-tag可以便于科研人員對RBD 蛋白進行純化，且不影響RBD 蛋白的功能。現(xiàn)提供RBD 蛋白與his-tag 片段的RNA 序列，為了獲得這種新的蛋白質(zhì)，應(yīng)該對設(shè)計流程中哪些環(huán)節(jié)進行調(diào)整？學生思考后回答：應(yīng)該對目的基因的獲取和基因表達載體構(gòu)建這兩個環(huán)節(jié)進行調(diào)整。學生在白板上進行動畫演示，構(gòu)建基因表達載體的物理模型（圖5）。

教師引導學生對該過程進行分析，明確該過程對 RBD 基因進行了改造，進而改造了 RBD 蛋白，并介紹在基因工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第二代基因工程——蛋白質(zhì)工程。

設(shè)計意圖：教師鍛煉學生知識遷移的能力，引出下一節(jié)的知識——蛋白質(zhì)工程，并且讓學生再次體驗到基因表達載體的構(gòu)建是基因工程的核心。

5 總結(jié)升華

教師展示腺病毒載體疫苗圖片，說明除了新冠病毒滅活疫苗、重組蛋白疫苗以外，我國還有由陳薇院士團隊等研發(fā)的腺病毒載體疫苗。教師介紹腺病毒載體疫苗制作的過程，使學生明確該疫苗也是利用基因工程的方法進行生產(chǎn)。教師介紹關(guān)于 DNA 疫苗、RNA 疫苗的研發(fā)進展，促進學生樹立遠大理想，在未來積極投身到生物醫(yī)藥領(lǐng)域

設(shè)計意圖：學生對基因工程的應(yīng)用有進一步的認識，感受到“我國疫苗的研發(fā)走在世界前列，我國疫情的防控為世界人民作出了表率，彰顯了大國風范”;也能認識到“我國在生物醫(yī)藥方面仍存在巨大挑戰(zhàn)”，并以此受到鼓舞，從而培養(yǎng)愛國情懷和社會責任素養(yǎng)。6? 教學反思

本節(jié)課在把握教材中基因工程基本操作程序的基礎(chǔ)上，探究新冠病毒重組蛋白疫苗的研發(fā)細節(jié)。針對基因工程較復雜的制作流程及基因表達載體的構(gòu)建這一難點，教師引導學生構(gòu)建相關(guān)的概念模型和物理模型，促進學生獲得清晰嚴謹?shù)目蒲兴悸?，讓知識從抽象到具體，使學生深刻理解基因工程的基本操作流程，并突破操作過程中的難點，培養(yǎng)了學生的科學思維。新冠病毒給全人類帶來巨大的影響，改變了全球的經(jīng)濟、政治、醫(yī)療等方面的格局。本節(jié)內(nèi)容結(jié)合社會熱點，通過探究新冠疫苗的研發(fā)流程，培養(yǎng)學生的社會責任素養(yǎng)。但是，本節(jié)課也有不足之處，構(gòu)建基因表達載體時，所提供的材料都是教師預(yù)設(shè)的，雖然能幫助學生掌握基因表達載體構(gòu)建這一核心知識點，但與實際的操作有所差別。

參考文獻：

[1]李文浩，李艷梅.新型冠狀病毒疫苗設(shè)計原理與研究進展[J].大學化學，2020，35（12）：29-34.

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